Impactos de gotas de agua y gotas de emulsión de aceite en agua en superficies superhidrofóbicas. (A) Esquema de la configuración experimental. (B) Instantáneas de videos de alta velocidad de emulsión y gotas de agua impactando en una superficie. La emulsión es una emulsión de hexadecano en agua a una concentración del 20%. En We =50, ambas gotas rebotan. A We =87, el agua rebota mientras que la emulsión se pega. En We =95, ambas gotas salpican y rebotan. (C) Esquema de la dinámica del impacto del agua y la emulsión que muestra las tres fases:impregnación, formación de crestas de aceite y salida. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abl7160
Las emulsiones de pesticidas a base de aceite se usan ampliamente en la agricultura, aunque son un gran peligro para el medio ambiente y la salud porque rebotan en las superficies de las plantas debido a su naturaleza hidrofóbica, lo que resulta en la contaminación del agua y el suelo. En un nuevo informe, Maher Damak y un equipo de científicos en ingeniería mecánica del MIT describieron una transición inesperada de rebote a adherencia a rebote, con una velocidad de impacto acelerada de la gota. El equipo destacó la física subyacente del fenómeno y demostró el proceso mediante la regulación de un equilibrio cuidadoso de tres escalas de tiempo:el tiempo de contacto de las gotas, el tiempo de impregnación de aceite y la formación de la cresta de aceite. Luego construyeron un mapa de diseño para regular con precisión el rebote de las gotas y la cobertura de aceite. La investigación ahora se publica en Science Advances .
Uso de la ciencia de los materiales para prácticas agrícolas ambientalmente optimizadas
Los aerosoles de emulsión son cruciales en las industrias y los aerosoles agrícolas comúnmente incluyen emulsiones de aceite en agua que contienen concentrados emulsionables con un ingrediente pesticida activo en la fase de aceite mezclado con agua. En este caso, las gotas de aceite suelen estar en el rango de escala de micras, por lo tanto, las emulsiones se pueden atomizar y rociar sobre las plantas. Sin embargo, la falta de retención de los aerosoles agrícolas en las plantas hidrofóbicas es una limitación importante que puede causar una contaminación a gran escala. Los científicos de materiales han estudiado exhaustivamente los impactos de las gotas de líquidos puros en superficies superhidrofóbicas. Los investigadores han usado surfactantes para reducir la tensión superficial y, por lo tanto, reducir el rebote de las gotas; sin embargo, son menos efectivos. En este trabajo, el equipo de investigación estudió el impacto de las gotas de emulsión en superficies superhidrofóbicas.
El autor principal y becario postdoctoral Maher Damak, afiliado al Grupo Varanasi del profesor Kripa Varanasi del MIT, y también director ejecutivo y cofundador de Infinite Cooling, describió la motivación detrás de su estudio y dijo:"La investigación fue motivada por la hecho de que hay una gran cantidad de residuos de pesticidas debido a las gotas que rebotan en las superficies de las plantas cuando se rocían... el método que desarrollamos en este estudio utiliza emulsiones de aceite para mitigar el problema, al permitir que las gotas se adhieran a las superficies hidrofóbicas de las plantas".
El equipo demostró cómo las emulsiones metaestables que contienen un aceite portador de plaguicidas y agua sola pueden ser eficaces cuando se utilizan con la emulsión y los parámetros de pulverización correctos. La introducción de aerosoles sin surfactantes en la agricultura puede prevenir la propagación de sustancias químicas tóxicas a gran escala en el medio ambiente y reducir los costos en la agricultura.
Impregnación de aceite de superficies durante impactos de emulsión. (A) Imágenes de microscopio de la superficie después de los impactos de gotas de emulsión con diversas concentraciones en superficies superhidrofóbicas inclinadas a We =30. (B) Instantáneas de videos de vista inferior de alta velocidad de la fase de difusión de una emulsión de hexadecano en agua al 20 %. impacto de gota en una superficie superhidrofóbica transparente (We =60). El foco de la lente está en el plano interfacial entre la gota y la superficie. Los puntos negros son gotas de aceite que se depositan en la superficie. (C) Mediciones experimentales del diámetro del depósito normalizado en función del número de Weber para varias concentraciones de emulsiones de aceite en agua. (D) Cobertura de aceite de la superficie después del impacto. Los símbolos son medidas experimentales (SD de seis experimentos repetidos con We variable entre 10 y 40), y la línea sólida es nuestra predicción del modelo. El área gris sombreada muestra las predicciones del modelo para radios de gotas de aceite que van desde 400 a 900 nm. El recuadro es un esquema del cambio de forma de las gotas de aceite cuando impregnan la superficie. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abl7160
Los científicos estudiaron el comportamiento de los impactos de las gotas de emulsión mezclando el aceite modelo hexadecano con agua y utilizaron un sonicador de sonda para producir una emulsión de aceite en agua para pulverizaciones agrícolas. Utilizaron hexadecano como modelo y no incluyeron tensioactivos, para demostrar que las formulaciones sin tensioactivos pueden garantizar de forma eficaz la retención de gotas. Las emulsiones libres de surfactantes fueron metaestables durante más de tres horas, más que la duración típica de los rociados agrícolas. Damak destacó la importancia de este método:"Muchos pesticidas ya se rocían como emulsiones de aceite y este trabajo puede permitir a los productores ajustar los parámetros de estas emulsiones para hacerlas mucho más efectivas, sin agregar ningún otro químico". Por lo tanto, las emulsiones se pueden hacer en la granja y rociar mientras aún son estables. En la configuración experimental, el equipo usó una aguja para dispensar gotas en una superficie superhidrofóbica y varió la concentración de aceite en la emulsión con el objetivo de retener las gotas de agua portadoras, mientras que las moléculas del pesticida alcanzaban la superficie de la planta. El equipo explicó el fenómeno a través de un mecanismo de tres fases.
Pasos experimentales:impregnación de aceite, formación de crestas, transición rebote-pegado-rebote
Damack et al. tomó imágenes de la superficie después del impacto de una gota de emulsión de aceite en agua, utilizando un microscopio óptico. Durante la segunda fase, notaron la formación de una cresta de aceite alrededor de la gota de emulsión. A medida que la gota de emulsión retrocedía, el equipo notó una superficie parcialmente llena de aceite. Al finalizar esta fase, observaron una fuerza de succión ejercida por la gota para evitar que rebote. A medida que la energía superficial se convertía nuevamente en energía cinética, la gota de emulsión comenzó a acelerarse verticalmente con una "fuerza equivalente de aceleración de rebote" típica. Los investigadores entendieron el origen de la transición de rebote-pegado-rebote en relación con los números de Weber; un parámetro que representa la relación entre las fuerzas hidrodinámicas disruptivas y la fuerza de tensión superficial estabilizadora. "Descubrimos que el aceite emulsionado puede depositarse en la superficie durante la escala de tiempo del impacto y ejercer una fuerza de succión sobre la gota, evitando que rebote en la superficie", dijo Damak.
Transiciones rebotando-pegando-rebotando. (A) Esquema de un diagrama de cuerpo libre de una gota que se retrae después del impacto, que muestra la presión ejercida por la atmósfera, la presión ejercida por la capa de aceite debajo y la fuerza de tensión superficial a lo largo de la línea de contacto. (B) Instantáneas de una gota de agua con un 10 % de hexadecano que impacta con un número de Weber de 24. La primera fila tiene fotografías de toda la gota en varias etapas, y la segunda fila tiene fotografías ampliadas que muestran la cresta de aceite siempre que sea visible. (C) Valores de la relación de fuerza calculada de la fuerza de rebote a la fuerza de adherencia en experimentos de impactos de emulsión con varias concentraciones (eje y izquierdo) en función del número de Weber experimental. Los símbolos verdes representan gotas que se pegan, mientras que los símbolos rojos representan gotas que rebotan. Los colores de las líneas representan diferentes concentraciones de aceite. Las formas representan diferentes patrones de inestabilidad (cuadrados para ausencia de inestabilidad, rombos para salpicaduras y círculos para inestabilidad del borde y aparición de salpicaduras). Las líneas continuas son estimaciones del modelo de relaciones de fuerza para tres concentraciones de aceite basadas en la ecuación derivada de la relación de fuerza. La línea negra discontinua indica una relación de fuerza de 1, que es la transición teórica de rebote a adherencia. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abl7160
Impregnación de superficies por impacto de gotas de emulsión y efecto en la transición de rebote/pegado. (A) Instantáneas de video de alta velocidad de vista superior de una emulsión de aceite de silicona en agua de 10 cSt que impacta en una superficie a We =27. (B) Instantáneas de video de alta velocidad de vista superior de un aceite de silicona de 1000 cSt en emulsión de agua que impacta en una superficie a We =24. (C) Resultados de impacto experimental de emulsiones de aceite en agua de varias viscosidades en superficies superhidrofóbicas y de gotas de agua en superficies impregnadas de líquido (LIS) con aceites lubricantes de varias viscosidades. La línea continua inferior muestra el límite por debajo del cual las fuerzas de succión máximas no superan la inercia de las gotas y donde se espera que siempre se produzcan rebotes para las emulsiones. La línea continua superior muestra el límite de viscosidad por encima del cual las gotas de aceite en la emulsión no tienen tiempo de impregnar la superficie durante el tiempo de contacto y la superficie durante la fase de retracción diverge de una superficie similar a LIS. Recuadro:Cobertura superficial directamente después del rebote para aceites de diferentes viscosidades a una concentración del 10 %. Otros puntos de datos son los aceites de silicona en varias viscosidades. Los datos se recolectaron para We =30 y We =50, y no hubo dependencia del número de Weber. Las barras de error indican la DE sobre 10 mediciones para aceite de silicona y 6 mediciones para hexadecano. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abl7160
Pulverización macroscópica de emulsión sobre superficies no humectantes. (A) Instantáneas de video de alta velocidad de aerosoles de agua y emulsión (8% de hexadecano en agua) en superficies superhidrofóbicas. Las gotas de pulverización son del orden de 1 mm de diámetro. Los números de Weber estaban en su mayoría en el rango de 40 a 200. Todas las gotas de agua rebotan, mientras que las gotas de emulsión se pegan y acumulan en la superficie (ver videos S9 y S10). (B) Gráficos del volumen retenido de líquido rociado sobre una superficie superhidrofóbica después de rociar repetidamente cantidades fijas de agua y emulsiones de hexadecano al 20%. Las líneas discontinuas son ajustes lineales. La pendiente de la línea discontinua roja correspondiente al caso de la emulsión es 10 veces mayor que la pendiente de la línea de agua. (C) Fotografía de una hoja de hosta después de rociar el lado izquierdo con agua y el lado derecho con una emulsión de hexadecano al 20%. El lado izquierdo permanece mayormente seco, mientras que una película de líquido cubre el lado derecho. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abl7160
Perspectiva
De este modo, el equipo exploró los efectos de la viscosidad del aceite y formó un mapa de diseño para pulverizaciones de emulsión efectivas con un rango óptimo de viscosidades y un rango óptimo de número de Weber. Diseñaron los aerosoles para cumplir con los regímenes de número y viscosidad de Weber. Realizaron experimentos macroscópicos adicionales con los aerosoles y obtuvieron videos de alta velocidad de aerosoles de agua y emulsión que impactan en una superficie superhidrofóbica. De esta manera, Damak y sus colegas dieron a conocer un mecanismo hasta ahora desconocido para pegar gotas de emulsión en superficies superhidrofóbicas. El equipo exploró los mecanismos subyacentes de la física para mostrar la eficiencia del método durante la retención de la pulverización con el sistema modelo sin tensioactivos.
